GIS技术在土地整理中的应用——以贵定县高源村为例

王志红，刘吉波，祖维涛

（1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

耕地是人们赖以生存的重要保障。进行土地整理，需要科学、合理地统筹土地整理、环境保护、经营建设和社会建设的协调发展[1-2]。本研究对增加耕地面积，实现耕地动态平衡，改善农业生产条件，促进新农村建设和区域社会经济发展具有重要意义。[1]

在土地整理过程中，基于ArcGIS地形现状图建立DEM并生成坡度图进行坡度分析，为进行田块设计提供依据。土地平整的目的就是使项目区在挖填基本平衡的情况下形成一个平面，所以土方量的计算是必要步骤。土方量的计算常见方法有方格网法、断面法、高线法及DTM法。[3]南方CASS具有成熟的土方量计算一体化解决方案，利用程序设计语言也可以编写土方量计算程序。[4]各种方法都有不同的优点和缺点，适用于不同的情况。本文以项目区现状图为基础资料，根据高程点利用ArcGIS软件建立项目区DEM模型，并生成坡度图；对坡度图进行分析并进行田块设计；参照土地整治工程中土方计算的要求，计算项目区的土方量。最后，成果还可为确定灌排方式和田间道路工程布局提供决策依据，同时为后期土地整理工程的实施提供技术参考。

1 项目区概况

项目区位于贵定县宝山街道高源村，属中亚热带季风湿润气候，以低山为主，地貌多样，涵盖山地、丘陵、陡土、坡土、梯土、坝田、冲田、梯田等土地资源。地理坐标：东经107°18′54.26″、北纬26°33′49.37″。项目区总面积592.94亩，建设规模592.94亩，新增耕地面积504.46亩。项目区位置见图1。

图1 项目区位置示意图

项目区土壤类别为黄棕壤土，部分土体厚度达到0.6m，土体平均厚度0.2m左右。项目区土壤情况较为复杂，具体情况见图2。

图2 项目区土壤情况

项目区的土地所有权为高源村集体所有，权属界限清晰无争议。根据2018年贵定县土地利用现状变更调查结果和项目区实测现状，项目区土地总面积为592.94亩，具体土地利用结构情况见表1。

表1 土地利用结构表

通过项目区实地踏勘调查，地块一东部有水井2个、破损三十立方蓄水池9个、水塘2个；地块二东南部有1个天然泉眼，地块三南部有1个水井。区内水池为中国烟草所修，现已破损无蓄水能力。水井及泉眼常年有流水，其中地块一内的2个水井为村民饮用水源。具体分布见图3所示。

图3 地块一、地块二和地块三水源位置示意图

2 土地平整技术方法

2.1 土地平整技术要求

项目区为平缓坡地，存在一定坡度，适合进行田块修筑，田块设计按照等高线分布，宽度不宜小于3m，开发后耕地土壤质量标准为：有机质宜大于2%，砾石含量不宜超过5%，PH值以5-8为宜[5]。本区域水田土地平整建设标准根据相关工程建设标准并结合实地情况，平整后应满足土地平整工程建设标准，见表2所示。

表2 土地平整工程建设标准

2.2 土地平整设计

土地平整之前，需要对项目区进行地形分析，故先建立项目区的DEM模型。以地块三为例，根据已有现状图，提取出该区域高程点和等高线，然后将高程数据文件导入ArcGIS中，生成TIN文件，再由TIN构建DEM。DEM建立后，再生成项目区坡度图，如图4所示。

图4 地块三坡度图

坡度的急缓，地势的起伏，对水田的水土流失和积聚都有影响，会直接影响农作物的生长。根据项目区地形条件，本区域土地平整分为0-5°、5-10°、10-15°、15-25°共4个坡度带，地形坡度大于25°的不进行整治，为田块规划设计提供数据支撑。

田块平整区主要沿等高线绘制，土地平整工程布局根据项目区地面条件和地形环境，依照“大弯就势，小弯取直，高挖低填、分段求平”的原则，将578.14亩荒草地划分成三个地块并开发成534块水平梯田，其中地块一开发成142个小格田、地块二开发成158个小格田，地块三开发成234个小格田。梯田最小净宽为4.32m、梯田最小净长为5.09m，地块格田分布如图5所示。平整后的田块有利于水土保持、田间机械化作业和农作物的生长发育以及经营管理。

图5 地块三格田设计分布图

2.3 土方量计算方法

土地平整目的是使项目区在挖填基本平衡的基础上形成一个平面，包含两个方面的内容。

2.3.1 设计高程计算

为保证挖填工程量最小和挖填基本平衡，根据项目区地形实际情况，划分不同的高程设计区域，因地制宜地进行田面高程设计[8]。计算设计高程步骤为：

设小梯田的面积分别为 S1、S2、……Sn，设计高程为 Hs，各角点高程分别为H1、H2、……Hn，则各梯田角点的挖填高度分别为H1-Hs、H2-Hs、……、Hn-Hs。据土方平整原则，挖填方量总和为零[9]，即

对（1）式计算可得设计高程Hs

2.3.2 土方计算

土地平整分区的目的是分别统计各坡度级的平整面积，设计不同的地块宽度以及确定相邻地块高度，以进行工程量计算。计算土方量的方法有很多，有DTM法、方格网法、断面法、等高线法[10]，本文采用方格网法进行计算。

方格网计算土方量的基本原理是：将待平整的土地分成若干块，获取各网格点的地面高程，根据平均高程和设计坡度计算各网格点的填挖边界和填挖量，最后计算土方量。

根据设计高程和地面高程计算出施工高度。计算每个方格网的零点，确定零线位置。零线位置是挖填平衡量的关键。

土方量计算一般分为四种情况：

当方格网的四个角点为全挖或全填时（方格网边长为a），其计算公式为式（3），如图6所示。

图6 四点填方或挖方示意图

当方格网中三点填方或挖方时，如图7所示，计算公式为式（4）:

图7 三点填方或挖方示意图

当方格的四个角点中两点挖方或填方时，如图8所示，其计算公式为式（5）和式（6）:

图8 两点填方或挖方示意图

当方格中一点填方或挖方时，如图9所示，其计算公式为式（7）:

图9 一点填方或挖方示意图

h1、h2、h3、h4为施工高度；a为方格边长。

3 土地平整土方量计算

3.1 基于Python的方格网法土方量计算程序设计

利用Python语言，按两种思路实现了方格网法土方量计算。[6]一是按式（3）-（7）的形式分四个函数分别直接计算土方量，需提前计算方格的边长a、参数b和c的值。二是将上述功能整合为一体，用一个函数完成计算。这里以第二种方法为例表示土石方计算的Python语言实现。

统一的土方量计算函数设计思路为：函数参数为设计标高和网格四个角点的三维坐标，角点按顺时针顺序排列。首先计算四个角点距离设计标高的垂直距离dh，位于标高平面上部dh符号取负，表示待挖，位于标高平面下部dh符号取正，表示待填。其次按不同情况分别计算挖填方量，当四个角点的dh均为正或均为负时，按四点挖填方公式计算土方量；当一个角点dh为正，其余三个角点dh为负或一个角点dh为负，其余三个角点dh为正时，按一点和三点挖填方公式分别计算土方量；当前两个角点dh为正，后两个角点dh为负或前两个角点dh为负，后两个角点dh为正时，按两点挖填方公式计算土方量。程序部分代码如下：

#统一的方格网法挖填方计算，返回挖填方的数量，格网角点顺时针排列。

3.2 基于CASS的土方量计算

考虑表土剥离厚度为20cm，先将表土剥离堆放到一侧，待地块平整到设计高程时再行回填。项目区规划设计平整地块为534块。利用方格网法计算土方量，其优点是方便快捷且精度高，以地块三为例，利用方格网法计算地块三的土方量。

图10 地块三复合线

提取地块三的地面高程点，在CASS中形成一个闭合的复合线，见图10所示。在CASS中点击“方格网法土方计算”，选中区域复合线，弹出“方格网法土方计算”对话框，然后输入高程点坐标文件，设置斜面（基准点）、拾取基准点、向下方向上一点等参数，计算出挖填方量，如图11所示。图中格网线上下标高分别为平均地面高程和设计高程，格网交点处数值是地面高程和设计高程的高差称为施工高度，“+”为挖，“-”为填，中间T和W表示该方格范围内的填挖方量。

图11 挖填方量结果（部分）

3.3 格田信息库建立与查询

为有效指导土地开发项目施工，利用ArcGIS实现了三个地块格田信息库的建立和查询。在Arc-GIS中打开地块图形文件，为地块建立数据库，并设计数据字段：面积、坡度、垒坎长、土坎量、客土量、挖方面积、填方面积、挖方量、填方量、挖填差。打开该图层的属性表并进行编辑，将土地平整计算量录入属性表后保存，使用ArcGIS的Geodatabase实现对格田地块属性的查询管理。

4 结束语

针对贵定县高源村作为后备耕地资源的荒草地，基于项目区的基本条件、土地利用现状，对土地整理进行技术设计，针对其中的土地平整工程进行了研究与实施。首先建立DEM模型，并在ArcGIS中生成坡度图，进行田块设计，建立格田信息数据库。在土地平整中，土方量计算是其中最重要的部分之一，基于Python程序设计语言对土方量计算进行了程序设计，以描述土方量的实现原理；利用南方CASS软件的“方格网法土方计算”功能，实现了土方量的计算。本文可为后期土地整理工程的实施提供技术参考。